基于Ansoft的通风机用永磁无刷直流电机设计与分析

明国锋，陈贤阳，李芳玲

（广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006）

0 引言

我国的风机数量巨大，耗电量惊人，风机节能越来越受到大家的关注，而变速节能是风机节能领域的重要环节。永磁无刷直流电机可以通过控制电路的占空比来进行无极调速，且调速范围宽，还有具有不失步、功率密度高和高效节能等优点［1］，特别适合在通风机等风机节能领域中使用。永磁无刷直流电机的转子中采用永磁体，使得电机的励磁特性发生了很大的变化，给电机的设计、分析和研究提出了许多新的问题和研究课题。

1 永磁无刷直流电动机参数的确定

1.1 主要尺寸的确定

电动机的主要尺寸可由以下公式确定［2］：

Di1为定子内径；L为铁芯长度；nN为额定转速；P 为计算功率，取1.25×PN=187.5W；αi为极弧系数；A为电负荷；Kφ为气隙磁场波形系数；KW为基波绕组系数，本电磁方案用集中绕组；Bδ为气隙磁密平均值，主要由所选永磁材料决定。考虑现有的电机外壳尺寸，本电磁设计方案取Di1=64 mm，L=20mm。

1.2 磁性材料的选择

目前，永磁无刷直流电动机采用的磁性材料主要是铁氧体和钕铁硼永磁材料。永磁无刷直流电动机可以通过增加磁铁的厚度和供磁面积来增大气隙磁通。转子磁极采用磁性比较弱的磁性材料，磁负荷比较低，使电动机的齿槽转矩和输出转矩波动也相对比较小，能减小电动机噪音及实现电动机的较平稳运行，而且钕铁硼价格远远超过铁氧体，是铁氧体价格的10倍以上。因此，在电动机尺寸允许的情况下，在通风机用永磁无刷直流电机中，选择铁氧体作为磁性材料是比较合适的。

1.3 磁体形状的选择和尺寸的设计

永磁无刷直流电机转子上的永磁体安装方式可分为表贴式和内置式。设计中，由于是用于通风机中，转速要求不高，因而从制造成本和工艺的复杂程度来考虑，选择成本低、工艺简单和易于优化的表贴式转子结构。对于表贴式永磁无刷直流电动机，最常用的磁极结构如图1所示［3］。

图1 表贴式转子常用磁极形状

由于面包状永磁体加工方便，便于对永磁体外圆进行厚度和极弧宽度的优化，以此抑制齿槽转矩。而且比瓦片状磁极节省材料。因此，设计采用面包状的铁氧体。

在选择永磁体尺寸时，永磁体的厚度hM和宽度bm可以近似地由以下公式确定：

δi为电机的气隙长度；Br／Bδ一般取值为1.1～1.35；τ2为电机转子极距。

1.4 定子冲片设计

选择定子冲片槽形时应考虑的因素有：首先定子槽有足够大的截面积，以保证槽内导体电流密度在允许范围内；其次要满足线下工艺要求，使槽满率不能太高；最后要保证足够的轭高和齿宽，使铁心轭、齿的磁密不致过高，但也应考虑到械强度和工艺限制，轭高和齿宽也不能太小。

2 基于磁路法RMxprt的电机设计

永磁无刷直流电机主要参数如表1所示。在进行Maxwell2D有限元分析前，先在RMxprt模块中建立三相永磁无刷直流电机模型，并进行相关参数的计算及优化。然后导入二维场中进行更精确的分析和计算［4］。在RMxprt模块中建立电机有限元分析模型分为以下几步：

表1 电动机主要参数

a.选择电机类型。系统选用永磁无刷直流电机。

b.添加RMxprt材料库。由于默认材料库里没有本设计所需的2种材料，即硅钢片（M19-24G）和铁氧体（Y30BH），因此，需要添加包含这2种材料的RMxprt材料库。

c.机械选项设置。机械选项设置包括外电路、初始速度和摩擦损耗等相关选项设置。

d.定子设置。定子设置包括设置定子内径、定子外径、槽数和槽型等。

e.转子设置。转子设置包括设定转子外径尺寸、转子内径尺寸、铁心长度和磁极形状等选项。

f.仿真设定。仿真设定包括设定负载类型、输出额定功率和额定电压等。

在RMxprt中把相关参数计算及优化到工程上允许的精度，把电机模型从RMxprt模块导入到Maxwell2D模块进行更精确的计算与分析。

3 永磁无刷直流电机有限元仿真结果及分析

由于Ansoft软件中的RMxprt模块是基于磁路的方法对电机进行电磁计算的，因而其计算精度很大程度上会受到其计算过程中的一些等效以及简化的影响［5］。因此，有必要采用基于场的有限元法对所选方案电机的相关性能进行分析。

3.1 二维模型的手动剖分

从RMxprt模块一键导入生成二维模型的剖分是软件自动剖分。由于软件自动剖分计算精度相对不是很高，需要在自动剖分的基础上进行手动剖分。按经验，需要把自动剖分的网格再剖分小3倍左右，同时把磁场较强和磁场变化较大的地方，网格取得小一点，其他地方可以适当地取得大一些。手动剖分后的模型如图2所示。

图2 二维模型网格剖分

3.2 空载磁密分析

利用Ansoft软件的Maxwell 2D模块对电机进行空载磁密分析，可得到电机任意运行时刻的空载磁密分布图。电机空载运行在某一时刻的空载磁密分布如图3所示。

图3 空载磁密分布

从图3可以看出，电机的磁密分布比较均匀，没有出现磁密过高的区域。选取电机运行的任意时刻，也没有出现局部过高的区域，说明电机尺寸设计得比较合理。

3.3 气隙磁密

利用Ansoft软件的Maxwell 2D静磁场求解器，得到电机的气隙磁密波形如图4所示。

图4 气隙磁密波形

从图4可以看出，气隙磁密基本为方波，脉动不是很大，可靠性比较高。

3.4 齿槽转矩

齿槽转矩是电枢铁心的齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩。即使电动机绕组不通电，齿槽转矩也会使得电机转子有停在圆周上若干个稳定位置上的趋向。因此，在Maxwell中求解齿槽转矩时，应采用电流源激励，并把激励电流设为零。在Maxwell2D计算得到的齿槽转矩如图5所示。

根据图5，可以得到齿槽转矩的变化范围为-0.037～0.018N·m，齿槽转矩正负不对称。由于定子采用不均匀气隙的结构导致了气隙磁导的变化，使得电机齿槽转矩正负不对称。

图5 电动机齿槽转矩

3.5 气隙磁密FFT分析

采用Ansoft软件中的Maxwell2D模块对气隙磁密进行傅里叶分解，得到气隙磁密的傅里叶分解的空间谐波分布，如图6所示。图6中的纵坐标表示气隙磁密基波与谐波的幅值，单位是特斯拉。由FFT分析图可看出，基波含量最大，达到了0.4168 T，而谐波含量中，3次和9次谐波含量相对其他次谐波含量比较大，分别达到了0.0451T和0.0456 T，它们分别达到直流分量的5.17%和5.19%。结果说明本电机采用表贴转子结构气隙磁密谐波含量比较少。

图6 气隙磁密的FFT分解

4 样机实验数据与仿真数据对比

给制作的样机施加190V直流电压，把速度调到2000r／min时，用测功机对样机相关性能参数进行测试。得到Ansoft计算值和样机测试值比较如表2所示。

表2 计算值和测试值

从表2可以看出，用Ansoft计算的理论值与样机测试值比较接近，误差在可接受的范围内，验证了电机设计的可靠性，有一定的借鉴意义。

5 结束语

设计了一台9槽6极的通风机用永磁无刷直流电动机，利用交流电供电，采用表贴式面包状的铁氧体激磁。运用RMxprt模块对电机各项参数进行了具体的设计和优化，并运用Maxwell 2D模块对电机的空载磁密分布、气息磁密波形和转矩脉动波形等特性进行仿真和分析。最后把仿真结果与样机的实验数据进行比较，证明了设计具有很大的可行性，能够满足通风机使用的要求，对优化通风机用永磁无刷直流电机的设计，提供了一定的参考。

［1］谭建成.永磁无刷直流电机技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［2］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，1997.

［3］王秀和.永磁电机［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［4］朱彩虹.基于Ansoft的永磁无刷直流电动机磁场有限元分析［J］.微电机，2010，43（6）：103-105.

［5］赵 博，张洪亮.Ansoft12在工程磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.